L'optique non linéaire sur silicium a pris son essor en raison des nombreuses perspectives d'applications à l'optoélectronique en circuit intégré. Pour observer des effets non-linéaires sans travailler à des puissances trop élevées, il faut utiliser des résonateurs à très haut facteur de confinement optiques (Q/V). Les microcavités à cristal photonique bidimensionnel sont une technologie mature et planaire pour réaliser de tels résonateurs sur silicium. Au cours de cette thèse, nous avons travaillé sur une application des microcavités à cristal photonique à la détection télécom. Le silicium est en effet transparent dans cette plage de longueurs d'onde, sauf si on atteint des densités de puissance élevées, auquel cas l'absorption à deux photons intervient. Le principe du détecteur repose sur l'exaltation de absorption à deux photons grâce à la microcavité en cristal photonique. La collection des porteurs ainsi générés est assurée par une jonction latérale métal-semiconducteur-métal (MSM). Nous avons d'abord étudié numériquement la viabilité du concept du détecteur sous deux aspects : collection des porteurs libres à travers le cristal photonique et influence des métallisations sur le facteur de qualité. Les modèles standards pour le courant d'obscurité et le photocourant dans les photodétecteurs MSM ont été étendus pour tenir compte du cristal photonique. La fabrication d'une jonction MSM dans le cristal photonique a fait l’objet d’un travail approfondi en salle blanche de l’IEF. La mesure du courant circulant dans le dispositif a permis de mettre en évidence un photocourant résonnant. On retiendra que la réponse peut alors atteindre 90 mA/W et que la bande-passante est supérieure au GHz. Outre la démonstration du détecteur en elle-même, des résultats originaux ont été obtenus. Nous avons montré qu'il est possible de contrôler les densités de porteurs dans les microcavités à cristal photonique en jouant sur la polarisation externe. Enfin, le détecteur est un moyen de mesurer certaines grandeurs essentielles de la physique des microcavités sur silicium, comme l’absorption linéaire résiduelle ou la résistance thermique de la cavité. / Silicon non linear optics is of considerable interest to the scientific community because of its applications to integrated optoelectronics. In order to observe non linear phenomena at a reasonable power, one has to work with very high confinement factor (Q/V) optical resonators. As they are now a fully mastered planar technology, two-dimensional photonic crystal microcavities are an efficient way of actually obtaining such resonators in silicon. In this thesis, an application of photonic crystal microcavities to telecom wavelength detection is demonstrated. Bulk silicon is transparent at these wavelengths, except when working at very high power density. Only then, two-photon absorption (TPA) becomes significant. In our detector, TPA is enhanced in the microcavity. A metal-semiconductor-metal (MSM) junction then ensures very fast carrier collection. We studied the physics of the detector and focused on two aspects: collection of carrier in a photonic crystal, and impact of the metal on the optical quality factor. Standard models for dark current and photocurrent in MSM junctions were adapted to the photonic crystal case study. Fabrication of the photonic crystal junction was carefully undertaken and optimized in the clean room of the IEF laboratory. The current circulating in the fabricated device resonates as the same wavelength as the optical cavity. Response can be as high as 90 mA/W, and the optical-electrical bandwidth is larger than 1 GHz. In addition to the demonstration of the detector, some original results were obtained. It is possible to control the carrier concentration in photonic crystal microcavities by tuning the external polarisation of the MSM junction. Finally, the detector allows one to measure important parameters of the physics of the cavity, such as the residual linear absorption coefficient, and the thermal resistance.

Cette thèse présente mon travail de recherche accompli depuis 2010 pour développer les détecteurs Micromegas du spectromètre CLAS12 qui sera installé dans le hall B du laboratoire Jefferson aux Etats-Unis. Les Micromegas sont des détecteurs gazeux robustes, rapides et bon marché. Ils doivent cependant être adaptés à l'environnement spécifique de CLAS12 car les défis sont nombreux : présence d'un champ magnétique fort, éloignement de l'électronique, fonctionnement avec un taux de hadrons élevé, nécessité de courber les détecteurs, espace disponible restreint. Ma thèse a commencé par des tests de détecteurs en faisceau au CERN qui ont permis d'estimer que le taux de décharges dans les Micromegas de CLAS12 serait de quelques Hertz. Une part importante de ce document est ainsi consacrée à l'étude de plusieurs méthodes innovantes dont l'objectif est de minimiser le temps mort dû aux décharges. J'ai donc mené des tests intensifs portant sur l'optimisation du filtre haute tension de la microgrille, l'introduction d'une feuille de GEM dans un Micromegas ou encore l'utilisation de Micromegas dits résistifs. Ces derniers donnant d'excellents résultats, des prototypes à l'échelle 1, dont l'un fabriqué par un industriel, ont été testés. La mécanique et le point de fonctionnement (gaz, tensions, géométrie...) des détecteurs ont ensuite été validés par des tests en laboratoire. Toutefois, afin de s'assurer un meilleur rapport signal sur bruit, des optimisations de la microgrille du détecteur ont été menées. Le CEA Saclay étant également responsable du développement de l'électronique des Micromegas pour CLAS12, j'ai comparé ses performances avec une autre électronique, vérifier sa résolution temporelle et déterminer le rapport signal sur bruit lorsque des limandes de 2 m connectent le détecteur à l'électronique. Les progrès réalisés dans le cadre de CLAS12 ont par ailleurs initié d'autres projets. J'ai ainsi effectué des simulations basées sur des pseudo-données pour valider la faisabilité d'une expérience portant sur les mésons exotiques pour laquelle nous avons proposé un trajectographe composé de Micromegas. / This thesis presents my work performed since 2010 to develop Micromegas detectors for the CLAS12 spectrometer that will be installed in the Hall B of Jefferson Laboratory (USA). The Micromegas are robust, fast and cheap gaseous detectors. Nevertheless, they must be adapted to the specific CLAS12 environment as there are many challenges to face : presence of a strong magnetic field, off-detector frontend electronics, high hadrons rate, necessity to curve the detectors, few space available. My PhD started by beam tests at CERN that allowed to evaluate the spark rate in CLAS12 Micromegas at a few Hertz. An important part of this document is therefore devoted to the study of several innovative methods to minimize the dead time induced by sparks. Thus, I have performed intensive tests on the optimization of the micromesh high voltage filter, with on Micromegas equipped with a GEM foild or on resistive Micromegas. The latter giving excellent results, full scale prototypes, one of which built by a company, have been tested. The mechanics and the working point (gas, voltages, geometry...) of the detectors have then be validated by laboratory tests. However, to ensure a better signal over noise ratio, the micromesh has been optimized. The CEA Saclay being also responsible for the development of the electronics for CLAS12 Micromegas, I have compared its performance with another electronics, verify its time resolution and determine the signal over noise ratio when 2 m long cables are connecting the electronics to the detector. The progress realized in the context of CLAS12 have furthermore triggered other projects. So, I have carried out simulations based on pseudo-data to validate the feasibility of a meson spectroscopy experiment for which we have proposed a Micromegas based tracker.

L’évolution des technologies silicium rend aujourd’hui possible le développement de nombreuses applications dans les domaines millimétriques tels que pour les systèmes de communication à très haut débit. Cette évolution se caractérise par une croissance des performances en fréquence des transistors disponibles dans ces technologies et nécessite la mise en place d’outils de mesure performants pour valider la modélisation et l’optimisation technologique de ces dispositifs. La caractérisation load-pull est une méthode incontournable pour modéliser le comportement en fort signal des transistors. En bande G [140-220 GHz], l’environnement de mesure classiquement disponible n’a plus les performances requises pour ce type de caractérisation compte tenu des pertes dans les accès au dispositif sous test. Ce travail de thèse a pour objectif de lever ce verrou en proposant de réaliser, en technologie BiCMOS 55 nm de STMicroelectronics, un banc load-pull entièrement intégré sur silicium afin d’être au plus près du dispositif à caractériser. Le mémoire est articulé autour de quatre chapitres. Le premier chapitre présente l’état de l’art de l’instrumentation actuellement disponible pour la caractérisation en puissance aux fréquences millimétriques et leurs limitations. Le second chapitre détaille la conception et la caractérisation des blocs constituant le banc intégré : le tuner et la source MMW de puissance. Le troisième chapitre décrit la réalisation et les performances du détecteur de puissance. Enfin, le quatrième chapitre présente le banc complet et son application à la caractérisation en bande G d’un dispositif bipolaire disponible dans la technologie BiCMOS 55 nm. / The evolution of silicon technologies now makes possible the development of many applications in the millimeter areas such as high speed communication systems. The evolution of these silicon technologies is characterized by the increase of the transistor performances with the frequency that requires the development of efficient radiofrequency measurement tools for accurate modeling of active components or the optimization of integrated circuits. In this framework, the load-pull characterization is an essential method to model the behavior of transistors in nonlinear region. In the G Band, the classical measurement environment typically available has not the required performance for this kind of characterization due to the losses in the accesses to the device under test. The aim of this thesis is to lift this lock by offering, in the STMicroelectronics BiCMOS 55 nm technology, a fully integrated load-pull characterization bench on silicon in order to be as close as possible to the device to characterize. The thesis manuscript is divided into four chapters. The first chapter presents the state of the art of the currently available instrumentation for power characterization at millimeter wave frequencies band and their limitations, which leads to the G band characterization bench specifications. The second chapter details the design and characterization of the mains blocks constituting the integrated bench: the tuner and the mmw power source. The third chapter present the design and characterization of the power detector. Finally, the fourth chapter presents the complete bench and its application with the G band load-pull characterization of a transistor bipolar device.

L'ajustement des differentes mesures electrofaibles dans le cadre du Modele Standard privilegie un boson de Higgs de faible masse egale a mH = 90 +36 -27 GeV, proche de la limite d'exclusion obtenue au LEP. La d´ecouverte du boson de Higgs a faible masse au LHC est difficile et nécessite la combinaison de plusieurs canaux. La production associ´ee du boson de Higgs avec une paire de quarks top, le boson de Higgs se désintegrant en une paire de quarks b (dominants pour mH <135 GeV), est l'une des signatures considérées. Ce canal permet d'accéder au couplage du Yukawa du top et du quark beau. Le potentiel de découverte du boson de Higgs dans ce canal est étudié avec l'expérience ATLAS. Plusieurs ingrédients sont cruciaux pour cette analyse: la reconstruction du systeme top anti-top avec une grande pureté, un excellent étiquetage des jets b et la connaissance du bruit de fond t ¯t+jets. Le d´etecteur a pixels est le sous-détecteur le plus important d'ATLAS pour l'étiquetage des jets b. En automne 2008, le d´etecteur ATLAS a été mis en service et étudie avec des muons cosmiques. La détermination des canaux morts, des constantes de calibrations et la prise en compte des données de contrôle du d´etecteur a pixels sont d´etaillées pour cette periode. Une ´etude pour d´eterminer puis masquer les pixels bruyants est ´egalement présentée. Finalement, l'efficacité de détection des pixels a été mesurée avec les muons cosmiques.

Depuis l'invention du scanner, les détecteurs à intégration de charges sont largement employés pour les applications d'imagerie biomédicale utilisant des rayons X. Néanmoins, des alternatives existent. Les développements réalisés en instrumentation pour les expériences en physique des hautes énergies ont permis l'émergence d'une nouvelle technologie de détection directe à base de semiconducteur. Cette nouvelle technologie, appelée détecteur à pixels hybrides, fonctionne en mode comptage de photons et permet de sélectionner l'énergie minimum des photons comptés. Le groupe imXgam du CPPM développe le démonstrateur PIXSCAN, un tomodensitomètre à rayons X basé sur le détecteur à pixels hybrides XPAD. L'objectif de ce développement est d'évaluer l'impact de la technologie à pixels hybrides sur la qualité des images et sur la dose délivrée lors d'examens tomodensitométriques du petit animal. Suite à un premier prototype de détecteur à pixels hybrides XPAD1 démontrant la faisabilité du projet, un imageur complet XPAD2 a été conçu et intégré dans le démonstrateur PIXSCAN. Depuis, avec l'évolution de l'industrie de la microélectronique, des améliorations notables ont été envisageables. Pour réduire la taille des pixels et améliorer la précision en énergie des détecteurs, une troisième version XPAD3 a été développée et sera prochainement intégrée dans un démonstrateur PIXSCAN de deuxième génération. Dans ce projet, mon travail de thèse a porté sur une participation à la conception des électroniques de lecture des détecteurs, la caractérisation des circuits et des détecteurs à pixels hybrides ainsi que sur la définition d'une architecture d'autocalibration des pixels en énergie.

L'enthousiasme de la communauté scientifique pour l'étude des oscillations<br />de neutrinos n'a d'égal que les masses de leurs détecteurs. L'expérience<br />MINOS détermine et compare les spectres proches et lointains des neutrinos<br />muoniques du faisceau NuMI, afin de mesurer deux paramètres d'oscillation:<br />$\Delta m_{23}^2$ et $sin^2(2\theta_{23})$. Les spectres sont obtenus par<br />l'analyse des interactions par courant chargés dont la difficulté réside<br />dans l'identification des produits des interactions (e.g. muons). Une<br />méthode alternative permettant d'identifier les traces de muons courbées par<br />le champ magnétique des détecteurs, ainsi que de déterminer leurs énergies<br />est présentée dans ce manuscrit. La sensibilité des détecteurs est optimale<br />pour les interactions quasi-élastiques dont une méthode de sélection est<br />proposée, afin d'étudier leur oscillation. Bien que réduisant la<br />statistique, une telle étude introduit moins d'erreur systématique,<br />constituant la méthode idéale à long terme.

Le premier chapitre de cette thèse présente les fondements théoriques sur lesquels repose le mécanisme de Higgs, ainsi que les caractéristiques du boson, telles qu'elles résultent du modèle standard. Le deuxième chapitre fait le point sur la situation expérimentale concernant les recherches passées, en cours et en projet, visant à la découverte du Higgs. Le troisième donne les principales caractéristiques du collisionneur LHC et celles du détecteur CMS, tous deux en fin de construction au CERN, en s'attardant sur les parties du détecteur plus particulièrement mises en oeuvre pour la recherche du Higgs via le canal H -> ZZ* -> 2e+2-, c'est-à-dire sur le trajectographe et le calorimètre électronique ECAL. Le quatrième chapitre indique comment les expériences réalisées sur un faisceau d'électrons du CERN ont permis de parfaire la calibration des cristaux composant ce calorimètre ECAL. Le cinquième chapitre présente l'étude menée sur les primitives de déclenchement qui a permis de valider les caractéristiques de l'électronique qui leur est associée. Le sixième chapitre décrit la procédure d'analyse des données menant à la reconstruction des événements de physique détectés par CMS, et l'extraction des caractéristiques qui seront utilisées pour l'identification formelle du boson de Higgs. Enfin, le septième chapitre est consacré à l'optimisation de l'extraction de la signature du Higgs, initialement noyée dans un abondant bruit de fond. Après un rappel du principe des logiciels intelligents appelés " réseaux de neurones ", il présente l'élaboration d'un tel logiciel spécialement adapté au problème concerné. Puis il décrit comment les différentes variantes de ce code ont été utilisées, d'une part pour choisir les paramètres à. retenir afin d'optimiser l'identification du signal par rapport aux bruits, et d'autre part pour son extraction proprement dite, ce qui a permis d'atteindre des taux élevés de réjection de ces bruits, qui pourront permettre l'observation du boson de Higgs.

Le règlement européen n°842/2006 ayant pour objectif la réduction des gaz à effet de serre vise à une politique de contrôle de l'étanchéité des équipements contenant plus de 3 kg de fluide. En France, l'arrêté du 7 mai 2007 spécifie que les contrôles doivent être effectués par un détecteur de fuite manuel d'une sensibilité de 5 g/an ou un contrôleur d'ambiance avec une sensibilité de 10 µmol/mol. Ces sensibilités doivent être mesurées suivant la norme EN 14624. Cette norme préconise l'utilisation de fuites calibrées de R-134a dont le débit varie de 1 à 50 g/an. Il est indispensable de disposer de fuites étalons permettant de vérifier les mesures effectuées. Comme une chaîne de mesure des débits de fuites hélium est déjà mise en place, une analyse des méthodes de mesures utilisées a mis en évidence la nécessité de développer une nouvelle méthode pour la mesure des débits de fuites de fluides frigorigènes. Pour répondre au besoin, le Centre d'Energétique et Procédés a développé une méthode de mesure basée sur l'absorption infrarouge. Elle consiste à mesurer la variation dans le temps de la concentration du gaz émis par une fuite, accumulée dans un volume fermé dit volume d'accumulation. Basée sur cette méthode, une référence nationale destinée à définir des débits de fuites de fluides frigorigènes se situant entre 1 g/an et 50 g/an a été conçu par le LNE et le CEP, avec le soutien de l'ADEME. Les phases de la conception sont présentées. En particulier, comme la méthode repose essentiellement sur la mesure d'une variation de concentration dans un volume à mesurer, le choix de la méthode de mesure de la variation de concentration et le choix de la méthode de mesure du volume d'accumulation ont été définies comme les étapes clés de la conception et sont argumentés. Une fois l'étude de conception achevée, la référence nationale a été réalisée et qualifiée. Le débit de fuite est calculé à partir de grandeurs différentes, à savoir la concentration, la pression, la température et le volume d'accumulation. La chaîne de mesure de ces grandeurs a donc été analysée afin d'estimer les modes opératoires et les incertitudes associées à l'estimation de chacune des grandeurs. Le budget d'incertitude du débit d'une fuite calibrée a finalement été établi. Une fois la traçabilité des débits de fuites frigorigènes assurée, le seuil de sensibilité des détecteurs frigorigènes peut être mesuré suivant les normes prévues telles que la norme européenne EN 14624 ou d'autres normes comme la norme SAE ou le projet de norme ASHRAE. Des études théoriques, phénoménologiques et expérimentales ont permis d'identifier les paramètres d'influence de la mesure du seuil de sensibilité et de conclure sur les précautions à prendre lors des essais. Enfin, une extension de l'étude a mis en évidence quelques précautions à prendre lors de détection sur site avec des détecteurs qualifiés.

L'approche qui a été développée dans l'équipe imXgam du CPPM est de combiner sur un unique support rotatif les modules de détection de la caméra pour petit animal ClearPET avec un détecteur de rayons X à comptage de photons dans le but d'acquérir simultanément des images anatomiques (TDM) et fonctionnelles (TEP) du même champ de vue. L'étude préliminaire du système hybride ClearPET/XPAD3 menée en simulation avec Gate a permis d'implémenter une nouvelle géométrie de détection TEP à 21 détecteurs phoswich, de fixer les grandes lignes de l'assemblage TEP/TDM, ainsi que d'étudier et de solutionner les difficultés liées au régime de fonctionnement bimodal. Pour finir, l'outil de simulation a également permis d'imaginer comment un tel système pourrait judicieusement exploiter la corrélation spatiale et temporelle des informations anatomo-fonctionnelles. Du point de vue de l'instrumentation, ce projet a vu la mise en oeuvre du système hybride simultané ClearPET/XPAD3. Une fois les deux systèmes TEP et TDM opérationnels individuellement, il a été démontré, d'une part que le ClearPET est parfaitement capable d'opérer en régime de fonctionnement simultané moyennant un blindage approprié de ses modules de détection, et d'autre part que la nouvelle génération de caméra à pixels hybrides XPAD3-S/Si s'avère très prometteuse compte tenu de la bonne qualité des premières images reconstruites. Finalement, la preuve de concept d'une acquisition TEP/TDM simultanée avec une source de positons scellée et un tube à rayons X a pu être concrètement démontrée.

Dans ce mémoire, nous présentons nos travaux de recherche que nous avons menés au sein de la collaboration ATLAS au LHC dans la période 2005-2012. Ces travaux inclus la préparation de deux des sous-détecteurs composant le système de détecteurs internes, l'étude et l'optimisation des algorithmes de reconstruction des jets afin d'en améliorer les performances et enfin l'utilisation des données collectées à partir des collisions proton-proton pour une énergie de collision de 7 TeV dans le centre de masse pour en extraire la mesure de la section efficace de production du quark top dans le mode de désintégration tout-hadronique.